计算机三级嵌入式笔记（一）—— 嵌入式系统概论

考点1 嵌入式系统

考点2 嵌入式系统的组成与分类

考点3 嵌入式系统的分类与发展

考点4 SOC芯片

考纲（2023）

考点1 嵌入式系统

（1）含义：嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称，它是一种嵌入在设备(或系统)内部，为特定应用而设计开发的专用计算机系统。

（2）特点：①专用性②隐蔽性③资源受限④高可靠性⑤实时性⑥软件固化

（3）应用：①消费类应用产品：冰箱、洗衣机、空调、微波炉、电饭煲、热水器等“白色家电”；电视机、机顶盒、数码相机、摄像机等数码产品。②产业类应用产品：数控机床、工业机器人等工业设备;汽车、飞机、船舶等运输工具;X 光机、心电计、血压计等医疗电子设备。③业务类应用产品：电话机、打印机办公设备;电子秤、取款机、自动柜员机(ATM)、自动售货机等金融电子设备;手机、路由器、交换机、等通信设备。④：军用类应用产品：火炮、导弹等武器控制装置;坦克、舰艇、战机、无人机等军用电子装备;雷达、导航系统等军事通信装备。

考点2 嵌入式系统的组成与分类

1、嵌入式系统的逻辑组成

嵌入式系统是由硬件和软件两部分组成。硬件的主体是中央处理器和存储器，它们通过输入输出(IO)接口和输入/输出设备与外部世界联系，并借助总线相互连接，这些硬件连同嵌入式软件一起构成完整的嵌入式系统。

(1) 处理器

                按照指令的规定高速度完成二进制数据算术和逻辑运算，由运算器、控制器、寄存器、高速缓冲存储器(Cache)等部件组成。负责运行系统软件和应用软件的主处理器称为中央处理器(CPU)，其余的都是协处理器。CPU是任何计算机不可或缺的核心部件。
        字长指的是 CPU中通用寄存器和定点运算器的二进位宽度。CPU的字长有4位、8位、16位、32位、64位之分。使用最多的还是8位和16位的CPU，但32位和64位CPU是技术发展的主流。通用计算机的CPU则以 64 位为主。
        嵌入式系统的性能在很大程度上是由CPU决定的。CPU的性能主要表现为程序(指令)执行速度的快慢，而影响程序(指令)执行速度的因素很多
        1、主频(CPU时钟频率)： CPU中电路的工作频率，决定着 CPU 芯片内部数据传输与操作速度的快慢。一般而言，主频越高，执行一条指令需要的时间就越短。
        2、指令系统：指令的格式、类型和指令的数目、功能等都会影响程序的执行速度
        3、高速缓冲存储器的容量与结构：程序运行过程中高速缓冲存储器(Cache)有利于减少CPU访问内存的次数。通常，其容量越大、级数越多，其效用就越显著。
        4、逻辑结构 :  CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目、有无协处理器、流水线级数和条数、有无指令预测和数据预取功能等，都对指令执行的速度有影响。

(2) 存储器

存储器的任务是存储程序和数据。按照存取特性，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器两大类。前者在掉电(或关机)后会丢失所存储的信息，后者则能永久或半永久性地保存信息，即使掉电(或关机)信息也不会丢失。

(3) I/O 设备与 I/O 接口
I/O 设备的分类

人机交互：按键、键盘、触摸板、触摸屏、鼠标器、操纵杆、手写笔、话筒(麦克风)、发光二极管、液晶显示器、打印机等。机机交互：包括各种类型的传感器(压力传感器、温度与湿度传感器、重量传感器、运动传感器和各种同服执行机构(步进电机、继电器微电机、线性电机等)。

I/O接口的作用和分类
IO接口用于连接和控制 I/O设备的工作。从数据传输速率来看，有低速和高速之分；从数据传输方式来看，有串行和并行之分；从是否需要物理连接来看，有有线与无线之分；从是否能连接多个设备来看，有总线式(可串接多个设备)和独占式(只能连接一个设备)之分。

常用的 I/O接口
①通用串行总线式接口，包括USB 2.0/USB 3.0、IEEE 1394、以太网接口等;
②异步串行接口，包括RS-232-C、RS-485等:

③视频信号接口，包括视频图形阵列(VGA)接口、数字视频接口(DVI)、高清晰度多媒体接口(HDMI)等;

④ 工业总线接口，包括控制器局域网(CAN)接口、局域互联网(LIN)接口等;
⑤无线接口，包括红外线(IrDA)接口、蓝牙(Bluetooth)接口、ZigBee接口、WiFi接口等。

(4) 数据总线

        嵌入式系统各组件之间进行数据传输的一个传输通路。由传输线和控制电路组成，为连接在总线上的系统内或系统外的各个组件提供数据传输和相应的控制服务。

          (5) 软件
        低端嵌入式系统主要由监控程序、设备驱动和事件处理程序构成，通过中断处理外部事件；而高端嵌入式系统则包含BSP、驱动、实时操作系统、中间件及应用软件，构建了一个复杂的软硬件管理环境，实现跨平台应用开发与运行。

2、嵌入式处理芯片
嵌入式系统中的 CPU特点:支持实时处理，低功耗，结构可扩展和集成了测试电路。主要有PowerPC、MC68000、MIPS、AMD、x86 等系列。

(1) 数字信号处理器(DSP)

数字信号处理器(DSP)是专用于数字信号处理的微处理器。

(2) 微控制器(单片机)
微控制器将整个计算机硬件的大部分甚至全部电路集成在一块芯片中。

（3）片上系统
片上系统能够把计算机或其他一些电子系统的全部电路都集成在单个芯片上。SoC(片上系统)将计算机或其他电子系统集成在单个芯片中，所以也称为系统级芯片。它可以处理数字信号、模拟信号、数/模混合信号，其集成规模很大，一般达到几百万到几千万个门电路。大多数高端嵌入式系统均采用SoC。

考点3 嵌入式系统的分类与发展

①嵌入式系统的分类

按用途分类

        分为军用、工业用和民用三大类。
按实时性分类
        ①非实时系统[如个人数字处理(PDA)、电子书等]，它们对系统的响应时间几乎没有要求;
        ②软实时系统(消费类电子产品)，此类系统的响应时间如果没有满足规定的时间约束，并不会导致灾难性的后果；
        ③硬实时系统(工业和军工系统)，如果对外部事件的响应不能满足规定的时限，将会造成灾难性的后果
按产品形态分类
        ①系统级产品(以标准机柜形式提供的工控机、PC104块等)
        ②板级产品(各种类型的带CPU的主板及OOEM产品)
        ③片级产品(SoC、单片机、DSP、微处理器等)。
按软硬件技术复杂程度分类
        分为低端系统、中端系统和高端系统三大类。

考点4 SOC芯片

1、微电子技术
①集成电路微电子技术是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，它以半导体集成电路为核心。集成电路根据它所含电子元件(如品体管、电阻、电容等)的数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模等几种。
②集成电路的制造

③微机电系统

微机电系统(MEMS)体现了近年来机电一体化技术向微型化的发展。它在芯片上融合了光、机械、电子等多类不同技术的构件(也称组件)，是集微型传感器、微型执行器、信号处理器、接口、通信电路、电源等于一体的微型器件或微型系统，在传感器、显示器件、微型机电等诸多产品领域中开拓了嵌入式系统的新应用。

2、通用 SoC 和专用 SoC
①通用 SoC 芯片
半导体企业通过自主开发处理器内核或购买其他企业的处理器内核的IP授权，按照目标应用领域功能要求所开发的 SoC芯片系列。
目前国际上开发生产通用 SoC的半导体厂商有多家，产品多种多样。包括三星的 Exynos 系列之外、英伟达的 Tegra 系列、高通的骁龙(Snapdragon)系列，联发科(MTK)的MT系列等，这些芯片大多采用 ARM公司的 Cortex-A架构作为CPU内核。Corex-A是采用ARMV7或ARMV8 指令集的应用处理器，包括:Corex A5、Cortex A7、Cortex A8、Cortex A9 以及 Corex A15 等。Intel 公司开发的 Atom 系列也是通用 SoC，它们包含 1~4个x86 处理器内核、两级Cache、GPU、I/O 接口和存储控制器等。

②专用 SoC 芯片
嵌入式系统开发商依据待开发产品的特殊要求,向半导体企业定制的SoC芯片。专用 SoC芯片为委托方所专用，无法在市场采购到，从而保护了委托方的产品知识产权。
3、SoC 芯片的开发流程

4、IP核及其复用
①IP 核
a.库中所包含的IC设计文件分类
第一，逻辑门级，包括各种基本的门电路;
第二，寄存器传输级，如寄存器、多路选择器、译码器、数据转换器等;

第三，行为级(又称为功能级)，如CPU、DSP、存储器、总线与接口电路等。
b.核、核库及IP核的概念

已完成的并经过验证的 IC具有固定的不可再分解的功能特性，称为“核”(Core)，相应的数据库称为“核库”。核库中的设计文件均属于知识产权(IP)保护的范畴，所以也被称为“知识产权核”或“IP核”。
c.IP核的分类
软核(SoftCore)；固核(Firm Core)；硬核(Hard Core)。
②IP 核复用
IP核是开发 SoC的重要保证。IP核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间

考点5 数字（电子）文本

(2)文本概念

        文本(Text)是基于特定字符集的一个字符流，每个字符均使用二进制编码表示。
(2)文本的输入途径
        ①基于汉字拼音的键盘输入;
        ②)用手指(或专门的笔)在触摸屏上进行书写。
无论哪种途经，输入的数字文本在系统内部都是采用二进制编码表示的。
(3)字符集及其编码

①西文字符的编码
美国标准信息交换码，ASCI字符集和 ASCI码是目前计算机中使用最广的西文字符集及其编码。它是国际标准，在全世界通用。基本的ASCI字符集共有128个字符，包括96个可打印字符(常用的拉丁字母、阿拉伯数字、标点符号等)和32个控制字符，每个字符使用7个二进制位进行编码。虽然标准 ASCI码是7位编码，但由于字节是计算机中最基本的存储和处理单位，故一般仍使用一个字节来存放一个 ASCI码。此时，每个字节中多出来的一位(最高位)在计算机内部通常保持为“0”，而在数据传输时有时可用作奇偶校验位。
②汉字的编码
我国目前广泛使用的汉字编码国家标准有GB2312和GB18030。

GB2312国标字符集中包含 3755个一级常用汉字和3008个二级常用汉字，此外还有682个图形符号在计算机内部都采用2字节(16个二进制位)来表示，每字节的最高位均规定为1。

GB18030字符集与国际标准 UCS/Unicode 字符集基本兼容。它包含世界各国和地区当前使用的 90 套书写符号，共约11万个字符，其中汉字7万多个。GB18030采用不等长的编码方法:单字节编码(128个)表示 ASCII字符，与ASCI码兼容;双字节编码(23940个)表示汉字。

③UCS/Unicode 编码

其字符集中包含了全球当前使用的 90 套书写符号，共约11万个字符。国际标准 UCS/Unicode 字符集是包含世界各国和地区所有各种语言文字的一个字符集。为了适应各种不同的计算平台采用不同的编码方案，最常用的有两种:UTF-8和UTF-16。

UTF-8采用的是单字节可变长编码。UTF-8编码是 Unicode 编码文本的交换标准。在 Linux 类操作系统中广泛采用。互联网的许多应用如 Web 网页和电子邮件软件等也都支持 UTF-8 编码的
UTF-16采用的是双字节可变长编码。许多软件用作内部文本处理的编码标准，如 WindowsNT、XP、Vista和 MacOSX，以及Java.NET 软件开发环境等。

4、文本的类型
①简单文本(纯文本)
不包含任何其他的格式信息和结构信息，称为纯文本，文件后缀名是.txt。

②丰富格式文本
纯文本经过排版，增加了许多格式控制和结构说明信息得来的。不同系统、不同软件制作的丰富格式文本的文件扩展名各不相同(如.doc，.html,.pdf 等)，它们内部使用的格式控制符等也不统一，所以通常并不兼容。
③超文本

线性文本：传统的纸质文本的内容组织是线性(顺序)的。
超文本(hypertext)概念是对传统文本的一个扩展，它采用网状结构来组织信息，文本中的各个部分按照其内容的逻辑关系互相链接。

5、文本的制作与展现
①文本制作

以文本编辑和排版为主要功能的软件称为文字处理软件,如金山(WPS)、Microsoft Word 等，它们不但具有丰富的文本编辑与排版功能，而且可以定义超链、制作表格、绘制图形和编辑图像。

        2009年PDF格式被批准为我国用于长期保存的电子文档格式的国家标准。
②文本展现(阅读)
        数字电子文本主要有两种展现方式:打印输出和在屏幕上进行阅读。
        字符的形状有两种描述方法:点阵法和轮廓法。

考点6 数字图像

嵌入式系统中使用的数字图像(DigitalImage)也称为取样图像、点阵图像或位图图像。
(1) 数字图像的获取和主要参数
从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的获取。图像获取过程的核心是模拟信号的数字化。
①图像获取的步骤
a.扫描将画面划分为MXN个网格，一幅模拟图像就转换为MXN 个取样点所组成的一个阵列。
b.分色将每个取样点的颜色分解成红、绿、蓝(R、G、B)3 个基色。如果是灰度图像或黑白图像，则不必进行分色。

c.取样测量每个取样点的每个分量(基色)的亮度值。

d.量化对取样点每个分量的亮度值进行 AD转换，即把模拟量使用数字量(一般是8位至 12位的正整数)来表示。

②图像获取的设备
图像获取所使用的设备主要有两种:数码相机和扫描仪。功能都是将实际景物的2D映像输入到计算机内并以数字图像的形式进行表示。
③图像在计算机中的表示
一幅图像由M(列)XN(行)个取样点组成，每个取样点是组成图像的基本单位，称为像素(Pixel或 Pel),彩色图像的像素通常由R、G、B这3个分量组成，灰度图像的像素只有一个亮度分量。数字图像在计算机中的表示方法是:灰度图像用一个矩阵来表示;彩色图像用一组(一般是三个)矩阵来表示，每个矩阵称为一个位平面。矩阵的行数称为图像的垂直分辨率，列数称为图像的水平分辨率，矩阵中的元素是像素颜色分量的亮度值，通常它是一个8位至12位的二进制整数。
④数字图像的主要参数

a.图像大小也称为图像分辨率(用水平分辨率x垂直分辨率表示)。日常所说的高清图像分辨率为1920X1080。

b.位平面数目即像素颜色分量的数目。黑白或灰度图像只有一个位平面，彩色图像有3个或更多的位平面。

c.像素深度指每像素用多少个二进制位来表示。它是像素的所有颜色分量的二进制位数之和，它决定了图像中可能出现的不同颜色(或不同亮度)的最大数目。
d.颜色模型指彩色图像所使用的颜色描述方法。通常，显示器使用的是RGB(红、绿、蓝)模型，彩色打印机使用的是 CMYK(青、品红、黄、黑)模型。

(2)数字图像常用文件格式及其应用

一幅图像的数据量可按下面的公式进行计算(以字节为单位):

图像数据量=图像水平分辨率x图像垂直分辨率x像素深度/8

①数据压缩的分类
a.无损压缩是指使用压缩以后的数据还原图像(也称为解压缩)时，重建的图像与原始图像完全相同，没有一点误差。例如行程长度编码(Run-Length Encoding，RLE)、哈夫曼(Hufman)编码等。
b.有损压缩是指使用压缩后的图像数据进行还原时，重建的图像与原始图像虽有一些误差，但不影响人们对图像含义的正确理解和使用。为了得到较高的数据压缩比,数字图像的压缩一般都采用有损压缩,如变换编码、矢量编码等。
②常用的图像文件格式

考点7 数字音频与数字视频

(1)音频和视频的概念
音频(Audio)指的是人耳可听见的声音信号，视频(Video)泛指活动图像序列。其共同的特点是内容随时间而变化，所以也称为动态媒体。
(2)音频/视频信息的数字化
音频是频率范围为 20 Hz~20 kHz的模拟信号。为了使用计算机进行处理，必须将它转换成二进制编码表示的形式，这个过程称为声音信号的数字化。

①取样，把时间上连续的声音信号离散为不连续的一系列的样本。为了不产生失真，按照取样定理，取样频率不应低于声音信号最高频率的两倍。

②量化，量化就是把每个样本的模拟量转换成数字量来表示，因此量化过程往往也称为 AD 转换(模数转换)。量化后的样本一般用8位、12位或16位(称为“量化精度”)二进制整数表示。量化精度越高，声音的保真度越好，量化精度越低，声音的保真度越差。

③编码，经过取样和量化得到的数据必须进行数据压缩，以减少数据量，并按某种格式将数据组织为文件，以便于计算机进行存储、处理和传输。

(3)数字音频常用文件格式及其应用

①数字音频的主要参数
数字音频的主要参数包括取样频率、量化位数、声道数目、使用的压缩编码方法以及比特率(bitrate)。比特率也称为码率，它指的是每秒钟的数据量。数字音频未压缩前，码率的计算公式为波形声音的码率=取样频率x量化位数x声道数(单位:b/s)

压缩编码以后的码率则为压缩前的码率除以压缩倍数(压缩比)
②)常用的音频文件格式

(4)数字视频常用文件格式及其应用

考点8 数字通信

(1)模拟通信与数字通信
①通信的基本任务
通信的基本任务是传递信息，因而至少需由3个要素组成:信息的发送者(称为信源)和信息的接收者(称为信宿)、携带了信息的电(或光)信号以及信息的传输通道(称为信道)。信源和信宿中使用的发信和收信设备(电话机)，也称为通信终端。
②模拟信号和数字信号

通信系统中所传输的信息必须以电(或光)信号的形式才能通过传输介质进行传输。电(或光)信号有两种形式:模拟信号和数字信号。模拟信号通过连续变化的物理量(如电平的幅度或电流的强度)来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时，声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号就是模拟信号。数字信号的电平高低或电流大小只有有限个状态(一般是两个状态)，它们在时间上有时也是不连续的。例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号(图1-18)。

③数字通信

模拟信号在传输过程中容易受噪声信号的干扰，传输质量不够稳定。目前越来越多的应用是把模拟信号转换成数字信号后再进行传输(或信源本身发出的就是数字信号)，这种通信传输技术称为数字通信。数字通信的抗干扰能力强，差错可控制，可靠性好，还可以方便地对信号加密，安全性更容易得到保证。而且，由于传输的是数字信号，因而可以直接由计算机进行信息的存储、处理和管理。
(2)有线与无线通信
①有线通信和无线通信的概念
有线通信中使用的传输介质是金属导体或光导纤维，金属导体利用电流传输信息,光导纤维通过光波来传输信息。
无线通信根本不需要物理连接，而是通过电磁波在自由空间的传播来传输信息。不同的传输介质具有不同的传输特性，所使用的通信设备也不一样。

②有线通信

光纤是光导纤维的简称，它由纤芯和包层组成，包层外有涂覆层，为光纤提供物理保护，屏蔽外部光源的干扰。

        光纤除了具有通信容量大和传输距离远(无中继通信距离可达几十km甚至上百km)的优点之外，由于是绝缘体，不会受高压线和雷电电磁感应的影响,抗核辐射的能力也强。光缆几乎可以做到不漏光，因此保密性强。光缆的重量轻，便于运输和铺设。光纤传输网已经成为几乎所有现代通信广播网和计算机网的基础平台。
②)无线通信
a.无线通信的特点
        无线通信(传输)是借助自由空间的电磁波传播信息，它可省去线路的架设，也允许终端设备在一定范围内随意移动，因此非常适合那些难于铺设传输线的边远山区和沿海岛屿使用，也为大量的个人通信设备和便携式计算机联网提供了条件。但电波通过自由空间时能量较分散，传输效率低，同时，无线通信存在着易被窃听、易受干扰等缺点。
b.无线通信的分类
        无线电波可以按频率(或波长)分成中波、短波、超短波和微波等波段。中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，只能作为视距或超视距中继通信。

c.微波
微波是一种 300 MHZ~300GHz的电磁波，它具有类似光波的特性，在空间主要作直线传播。利用微波进行远距离通信时，需要依靠地面微波站进行接力通信，微波站的中继距离一般为50km 左右。微波通信的另一种途径是借助人造卫星进行接力通信，此时中继站就安装在通信卫星上，这种通信方式也称为卫星通信。卫星通信的特点是通信距离远，频带很宽，容量大，信号受到的干扰也较小，通信比较稳定。当然卫星通信的技术比较复杂,成本比较高。
d.手机——个人移动通信系统

手机——个人移动通信系统，就是微波通信最有代表性的一种应用。移动通信系统由移动台(即手机)、基站、移动电话交换中心等组成。基站是与手机联系的一个无线信号收发机，它固定架设在高处，每个基站负责与其周围区域内所有手机进行通信。基站和移动交换中心之间通过微波或有线信道交换信息，移动交换中心再与固定电话网进行连接。每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称为蜂窝式移动通信。

第1代个人移动通信采用的是模拟传输技术。
第2代个人移动通信，使用的频段扩至 900MHz到1800MHz。
第3代个人移动通信(3G)的频谱利用率比2G高，使用的频段也成倍增长(185MHZ~2025MHz，2110MHz~2200 MHz)，因此数据传输能力比 2G大幅度提高。其数据传输速率室内可达几Mb，移动中也可达几百kb/s，能以较高质量进行多媒体通信，包括语音通信、数据通信和图像通信等。

我国的 3G通信目前有3种技术标准。中国移动采用的是我国自主研发的TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)技术，中国电信采用的是CDMA2000技术，中国联通采用的是WCDMA技术。这3种不同标准的网络是互通的，但终端设备(手机)并不兼容。

第4代移动通信(4G)，其传输速率可达100Mb/。中国移动采用TD-LTE 制式，其 4G 手机将兼容 3G(TD-SCDMA)和 2G(GSM)模式；中国电信和联通采用FDD-LTE制式，其终端设备(手机、上网卡等)也采用多模工作方式，即分别与原先使用的3G和2G式保持兼容。
(3)数字通信的传输技术
①调制与解调技术

a.调制和解调的概念

高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此可以把这种高频正弦波信号作为携带信息的“载波”。信息传输时，利用信源信号去调整(改变)载波的某个参数(幅度、频率或相位)，这个过程称为调制，经过调制后的载波携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输;到达目的地时，接收方再把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号的形式，这个过程称为解调。
b.调制解调器
对载波进行调制所使用的设备称为调制器，它在发送端使用。接收端则使用解调器以恢复出被传输的原始信号。由于大多数情况下通信总是双向进行的，所以调制器与解调器往往做在一起，这样的设备称为调制解调器(Modem)。

②多路复用技术
a.时分多路复用(Time Division Multiplexing，TDM)技术中各通信终端(如电话机)以事先规定的顺序轮流使用同一传输线路进行信号(或数据)传输。

b.频分多路复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)，它将每个信源发送的信号调制在不同频率的载波上，通过多路复用器将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。

使用光纤传输信息时，光波的频率为10"~10"Hz，波长为微米级，一束光每秒能携带几十个G的二进制位信号。
③交换技术
a.电路交换技术
电路交换技术即通话前经过拨号接通双方的线路(建立一条物理通路)，通话后再释放(拆线)。电路交换的特点是:在通话的全部时间内用户始终占用端到端的传输信道。
b.分组交换
第一，概念分组交换也称为包交换。采用分组交换方式进行数据通信时，源计算机把需要传输的数据划分为若干块，为每块数据附加上源计算机和目的计算机地址、数据块的编号、校验信息等有关信息(称为头部)，组成一个一个包(Packet，也称为分组，然后以包为单位通过传输网络向目的计算机发送。到达目的计算机之后，再由目的计算机接收和处理。

第二，分组交换技术的优点
i.可以大大提高传输线路的利用率;
ii.提高了通信的可靠性。由于数据包长度比较小，又包含有校验信息，传输过程中出了错(包括整个包中途丢失)很容易被发现。这时可以通知发送方，发送方可以重发出错或丢失的包。
第三，分组交换技术的缺点
i.数据分组时必须携带头部信息，产生了一定的额外开销;
ii.分组交换机需要具有较高处理和控制性能，成本不容小视;
ii.交换机转发数据包时需要在缓冲区中排队,产生一定的时延，当网络中通信量过大时，时延可能很显著。

考点9 计算机网络

(1)计算机网络的组成与类型
①计算机网络的概念计算机网络是利用通信设备、传输线路和网络软件，把地理上分散的许多计算机及其他智能设备以相互通信和共享资源为目的连接起来的一个系统。
②计算机网络的组成
a.计算机等智能电子设备这是网络的通信终端。

b.数据通信链路用于数据传输的双绞线、同轴电缆、光缆，以及为了有效而可靠地传输数据所必需的各种通信控制设备(如网卡、集线器、交换机、调制解调器、路由器等)，它们构成了计算机与通信设备、计算机与计算机之间的数据通信链路。
c.通信协议为确保网络的互联互通，计算机和通信控制设备必须共同遵循一组规则和约定，这些规则、约定或标准就称为通信协议，简称协议。

        d.网络软件无论是连接在网络上的终端设备还是网络中的通信控制设备，必须遵循通信协议才能支持网络通信。通信软件的功能就是实现网络通信协议，它们一般都包含在操作系统中。此外，为了向用户提供各种各样的网络应用，终端设备还必须安装相应的网络应用程序。
③计算机网络的类型
        a.局域网(LocalArea Network，LAN)
网络的地域范围较小(如几km)，通常是一幢楼房、一个楼群或一个小区。局域网往往属于一个单位所有,由单位自建自管。近些年不少家庭中的多台计算机也互联成网，称为PAN(PersonalAreaNetwork)，它是局域网的一个特例。
        b.城域网(Metropolitan Area Network，MAN)
也称市域网，其作用范围为5~50km。它是网络运营商(如电信和广电)在城市范围内组建的一种高速(宽带)网络，用于把城市范围内大量的局域网和个人计算机高速接入互联网，并提供语音、数据、图像、视频等多种增值信息服务。
        c.广域网(Wide Area Network，WAN)
也称为远程网，网络的作用范围可以从几十到几千km，甚至更大。广域网往往覆盖一个国家、地区，或横跨几个州，形成国际性的计算机网络。
(2)以太局域网

①计算机局域网的主要特点
a.为一个单位铺设的传输介质进行联网和数据通信;

b.使用专门铺设的传输介质进行联网和数据通信;
c.数据传输率高(10Mb/s)，延迟时间短，误码率低( $10^{-8} \sim ~10^{-11}$ )。

②局域网的数据传输

局域网中的每一台终端设备，它们都有各自的标识(称为该设备的物理地址或MAC地址)，以便相互通信。局域网采用分组交换技术。发送设备必须把要传输的数据分成小块(称为帧)，一次只能传输1。数据帧的格式如图 1-25所示。

③局域网的分类
a.按照它所使用的传输介质，可分为有线网和无线网。

b.按照网络中终端设备互联的拓扑结构，可以分为星型网、环型网、总线型网、混合型网等。

c.按照传输介质所使用的访问控制方法，可以分为以太网(Etheret)、FDD1网和令牌网等。不同类型的局域网采用不同的通信协议。目前广泛使用的是以太网。
④以太局域网
a.以太网的结构
以集线器(HuB)或以太网交换机(简称交换机)为中心构成。网络中的每台终端设备通过网卡和网线连接到集线器或交换机。

(3)无线局域网
①无线局域网介绍
无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)借助无线电波进行数据传输，工作原理与有线以太网基本相同，最大的优点是能方便地移动计算机的位置或改变网络的组成。

②)无线局域网使用的频段
无线局域网使用的无线电波，主要是2.4GHz和5.8GHz两个频段,电波覆盖范围较广，采用扩频方式通信具有抗干扰、抗噪声和抗信号衰减能力，能较好防止信息被偷听和窃取，通信比较安全。

③无线局域网使用的协议
无线局域网采用的协议主要是IEEE802.11(俗称 WiFi)。近些年开始使用IEEE802.11ac协议能将传输速率提高到1000Mbs。无线局域网需使用无线网卡、无线接入点等设备构建。目前无线局域网还不能完全脱离有线网络，它只是有线网络的补充。图中采用无线接入的每台终端设备都需要有无线网卡，其数据传输速率有11Mb、54 Mb和108 MbS之分。

④无线接入点

无线接入点(Wireless AccessPoint,简称 WAP或 AP)提供从无线终端设备对有线局域网和从有线局域网对无线终端设备的访问。无线AP的室外覆盖距离通常可达100~300m，室内一般仅为 30m左右。目前许多无线 AP 都可支持多达数十台终端的接入，它还提供数据加密、虚拟专网、防火墙等功能，使用十分方便。
⑤蓝牙

蓝牙(Bluetoot)是一种短距离、低速率、低成本的无线通信技术，IEEE将蓝牙技术作为个人无线区域网协议(IEEE802.15)的基础。目前应用最广泛的是Bluetooth2.0+EDR 标准，它也使用 2.4GHz频段，最高数据传输速率为1Mb/(有效传输速率仅为721kb/s)，传输距离在 10m之内。

考点10 互联网

(1)IP协议与路由器
①IP 地址
a.主机的概念
TCP/P 中的IP协议定义了主机(Host)这一概念，它指的是任何按照TCP/IP 协议连接到网络的终端设备。主机可以是 PC机、手机、平板电脑，也可以是服务器或网络打印机等其他设备。所有主机使用一种统一格式的地址(简称IP地址)进行标识
b.IP 协议
IP协议第4版(简称IPv4)规定，每个IP地址使用4B(32个二进制位)表示，其中包含有网络号(主机所从属的物理网络的编号)和主机号(主机在所属物理网络中的编号)两部分。
c.IP地址的分类和表示
IP地址分为 A 类、B类、C类3个基本类，每类有不同长度的网络号和主机号，另有两类分别作为组播地址和备用地址。

用4个十进制数来表示一个IP地址，每个十进制数对应IP地址中的一个字节。
d.域名
使用具有特定含义的符号名来表示互联网中的主机地址,将全部域名组成的名字空间划分为若干不同的子域,每个子域又分为多个子域。所有入网主机的域名即由一系列的子域组成，子域的个数不超过5个，相互之间用“.”分隔，从左到右级别逐级升高，其格式一般为“计算机名.网络名.机构名最高域名”。
主机的域名与它的ip地址是对应的，把域名翻译成IP地址由网络中的域名服务器(DNS)自动完成②IP 数据报
IP协议定义了一种独立于各种物理网的数据包的格式，称为IP数据报(IP Datagram)。

IP 数据报由两部分组成:头部和数据区。
头部信息主要是为了确定在网络中进行数据传输的路由，内容包括:

发送数据报的终端设备的IP地址;

接收数据报的终端设备的IP地址;

I协议的版本号(目前大量使用的还是IPv4);

头部长度(以 32位为单位指出数据报头部的长度);

数据报长度(整个数据报的长度，即头部长度加上数据区的长度);

服务类型(指明发送方设备对数据传输的要求)。
在 TCP/IP 网络中传输的数据在P这一层面都必须封装或分拆成IP 数据报之后才能进行发送或接收。
③路由器

路由器是一种分组(IP数据报)交换机，其功能主要是选择路由和转发IP数据报，并进行协议转换。路由器有多个输入端口和多个输出端口，路由器之间一般都使用高速通信链路连接。同一个路由器会拥有多个不同的IP地址。

路由器不仅用于互联不同类型的物理网络，而且还用来将一个大型网络分割成多个子网络，避免产生广播风暴，平衡网络负载，提高网络传输效率。路由器能监视用户的流量，过滤特定的IP数据报，对保障网络安全也有重要作用。路由器还可以通过优先权控制、预约网络带宽等措施提供一些网络特殊服务。
(2)互联网及其组成
因特网(Internet)指的是在美国ARPA 网基础上通过采用TCP/P协议连接其他计算机网络发展而成的世界上最大的一个互联网络，通常称为“互联网”。

互联网使用TCP/P协议通过路由器将遍布世界各地的计算机网络互联成为一个超级计算机网络。互联网早先的结构分为三级:主干网、地区网和校园网。目前互联网已经逐渐形成了基于ISP(互联网服务提供商，Intemet Service Provider)的多层次结构。最高级别的第1层ISP的服务面积最大，一般能覆盖国家范围，第2层ISP和一些大公司都是它们的用户。第3层ISP又称为本地ISP,它们只拥有本地域范围的网络,普通的校园网和企业网以及家庭和个人都是第3层ISP的用户.。

用户的计算机若要接入互联网，必须获得ISP分配的地址。对于单位用户，ISP通常分配一批地址，单位的网络中心再对网络中的每一台主机指定其子网号和主机号，使每台计算机都有自己固定的P地址。对于家庭用户，ISP 一般不会分配固定的IP地址，而是采用动态分配的方法。即上网时由ISP的 DHCP 服务器临时分配一个IP地址，下网时立即收回给其他用户使用。
(3)互联网的接入
城域网的主干是采用光纤传输的高速宽带网，它一方面与国家主干网连接，提供城市的宽带IP出口，另一方面又汇聚着若干接入网。
①ADSL接入

通过固定电话的本地环路(用户线)接入互联网的技术中，最有效的一种是不对称数字用户(ADSL),它利用普通电话线作为传输介质,只需在线路两端加装ADSL设备(专用的 ADSILModem)即可实现数据的高速传输。标准 ADSL的数据上传速度一般只有 64~256kbs，最高达1Mb/，而数据下行速度在理想状态下可以达到8 Mb/s(通常情况下为1Mb/s或2Mb/s左右)。有效传输距离一般在3~5 km。

ADSL的特点是:
a.一条电话线可同时接听、拨打电话并进行数据传输，两者互不影响。
b.ADSL传输的数据并不通过电话交换机，上网不需要缴付额外的电话费。

c.ADSL的数据传输速率是根据线路的情况自动调整的，它以“尽力而为”的方式进行数据传输。

d.它为下行数据流提供比上行数据流更高的传输速率，适应大多数用户的使用要求。

②有线电视网接入
有线电视(CableTV或CATV)系统已经广泛采用光纤同轴电缆混合网(HybridiFiber Coaxial，HFC)传输电视节目。HFC主干线部分采用光纤连接到小区，然后在“最后1公里”时使用同轴电缆以树型总线方式接入用户居所。
HFC 具有很大的传输容量，很强的抗电子干扰能力，它融数字与模拟传输技术于一身，既能传输较高质量和较多频道的广播电视节目，又能提供高速数据传输和信息增值服务，还可以开展交互式数字视频点播服务。
③光纤接入网

光纤接入网指的是使用光纤作为主要传输介质的互联网接入系统。在互联网服务提供商(ISP)的交换局侧，应把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输，到达用户端之后，要使用光网络单元把光信号转换成电信号,然后经过交换机传送到用户的计算机。光纤接入网按照主干系统和配线系统的交界点--光网络单元的安装位置可划分为:光纤到路边(Fiber ToThe Curb，FTTC)、光纤到小区(Fiber To The Zone，FTTZ)、光纤到大楼(Fiber To The Building，FTTB)、光纤到家庭(FiberToThe Home，FTTH)等几类。
我国目前采用“光纤到楼、以太网入户”(FTTx+ETTH)的做法，满足了多数情况下用户对接入速度的需求。